Химическая энциклопедия

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ , наука об определении хим. состава в-в и, в нек-рой степени, хим. строения соединений. А. х. развивает общие теоретич. основы хим. анализа, разрабатывает методы определения компонентов изучаемого образца, решает задачи анализа конкретных объектов.

Осн. цель А.х. - обеспечить в зависимости от поставленной задачи точность, высокую чувствительность, экспрессность и (или) избирательность анализа. Разрабатываются методы, позволяющие анализировать микрообъекты (см. Микрохимический анализ ), проводить локальный анализ (в точке, на пов-сти и т.д.), анализ без разрушения образца (см. Неразрушающий анализ ), на расстоянии от него (дистанционный анализ), непрерывный анализ (напр., в потоке), а также устанавливать, в виде какого хим. соед. и в составе какой фазы существует в образце определяемый компонент (фазовый анализ ). Важные тенденции развития А. х.-автоматизация анализов, особенно при контроле технол. процессов (см. Автоматизированный анализ ), и математизация, в частности широкое использование ЭВМ.

Структура. Можно выделить три крупных направления А.х.: общие теоретич. основы; разработка методов анализа; А. х. отдельных объектов. В зависимости от цели анализа различают качественный анализ и количественный анализ . Задача первого - обнаружение и идентификация компонентов анализируемого образца, второго - определение их концентраций или масс. В зависимости от того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различают изотопный анализ , элементный анализ , структурно-групповой (в т. ч. функциональный анализ), молекулярный анализ , фазовый анализ. По природе анализируемого объекта различают анализ неорг. и орг. веществ.

В теоретич. основах А. х. существенное место занимает метрология химического анализа , в т. ч. статистич. обработка результатов. Теория А. х. включает также учение об отборе и подготовке аналитических проб, о составлении схемы анализа и выборе методов, принципах и путях автоматизации анализа, применения ЭВМ, а также основы народнохозяйств. использования результатов хим. анализа. Особенность А. х. - изучение не общих, а индивидуальных, специфич. св-в и характеристик объектов, что обеспечивает избирательность мн. аналит. методов. Благодаря тесным связям с достижениями физики, математики, биологии и разл. областей техники (это особенно касается методов анализа) А. х. превращ. в дисциплину на стыке наук.

В А. х. различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные, сочетающие методы первых двух групп. Методы определения подразделяют на химические методы анализа (гравиметрич. анализ, титриметрия), физико-химические методы анализа (напр., электрохим., фотометрич., кинетич.), физические методы анализа (спектральные, ядерно-физ. и др.) и биологические методы анализа . Иногда методы определения делят на химические, основанные на хим. р-циях, физические, базирующиеся на физ. явлениях, и биологические, использующие отклик организмов на изменения в окружающей среде.

Практически все методы определения основаны на зависимости к.-л. доступных измерению свойств в-в от их состава. Поэтому важное направление А. х. - отыскание и изучение таких зависимостей с целью использования их для решения аналит. задач. При этом почти всегда необходимо найти ур-ние связи между св-вом и составом, разработать способы регистрации св-ва (аналит. сигнала), устранить помехи со стороны др. компонентов, исключить мешающее влияние разл. факторов (напр., флуктуации т-ры). Величину аналит. сигнала переводят в единицы, характеризующие кол-во или концентрацию компонентов. Измеряемыми свойствами могут быть, например, масса, объем, светопоглощение.

Большое внимание уделяется теории методов анализа. Теория хим. и частично физ.-хим. методов базируется на представлениях о нескольких осн. типах хим. р-ций, широко используемых в анализе (кислотно-основных, окислит.-восстановит., комплексообразования), и нескольких важных процессах (осаждения - растворения, экстракции). Внимание к этим вопросам обусловлено историей развития А. х. и практич. значимостью соответствующих методов. Поскольку, однако, доля хим. методов уменьшается, а доля физ.-хим. и физ. методов растет, большое значение приобретает совершенствование теории методов двух последних групп и интегрирование теоретич. аспектов отдельных методов в общей теории А.х.

История развития. Испытания материалов проводились еще в глубокой древности, напр. руды исследовали с целью установления их пригодности для плавки, разл. изделия -для определения содержания в них Аи и Ag. Алхимики 14-16 вв. впервые применили взвешивание и выполнили огромный объем эксперим. работ по изучению св-в в-в, положив начало хим. методам анализа. В 16-17 вв. (период ятрохимии) появились новые хим. способы обнаружения в-в, основанные на р-циях в р-ре (напр., открытие ионов Ag⁺ по образованию осадка с ионами Cl^-). Родоначальником научной А.х. считают Р. Бойля, к-рый ввел понятие "хим. анализ".

До 1-й пол. 19 в. А.х. была осн. разделом химии. В этот период были открыты мн. хим. элементы, выделены составные части нек-рых прир. в-в, установлены законы постоянства состава и кратных отношений, закон сохранения массы. Т. Бергман разработал схему систематич. анализа, ввел H₂S как аналит. реагент, предложил методы анализа в пламени с получением перлов и т.д. В 19 в. систематич. качеств. анализ усовершенствовали Г. Розе и К. Фрезениус. Этот же век ознаменовался огромными успехами в развитии количеств. анализа. Был создан титриметрич. метод (Ф. Декруазиль, Ж. Гей-Люссак), значительно усовершенствован гравиметрич. анализ, разработаны методы анализа газов. Большое значение имело развитие методов элементного анализа орг. соединений (Ю. Либих). В кон. 19 в. сложилась теория А. х., в основу к-рой было положено учение о хим. равновесии в р-рах с участием ионов (гл. обр. В. Оствальд). К этому времени преобладающее место в А. х. заняли методы анализа ионов в водных р-рах.

В 20 в. разработаны методы микроанализа орг. соединений (Ф. Прегль). Был предложен полярографич. метод (Я. Гейровский, 1922). Пoявилocь много физ.-хим. и физ. методов, напр. масс-спектрометрический, рентгеновский, ядерно-физические. Большое значение имело открытие хроматографии (М.С. Цвет, 1903) и создание затем разных его вариантов, в частности распределит. хроматографии (А. Мартин иР. Синт, 1941).

В России и в СССР большое значение для развития А.х. имели работы Н.А. Меншуткина (его учебник по А.х. выдержал 16 изданий). М.А. Ильинский, и особенно Л.А. Чугаев ввели в практику орг. аналит. реагенты (кон. 19-нач. 20 вв.), Н.А. Тананаев разработал капельный метод качеств. анализа (одновременно с Ф. Файглем, 20-е гг. 20 в.). В 1938 Н. А. Измайлов и М.С Шрайбер впервые описали тонкослойную хроматографию. В 1940-е гг. были предложены плазменные источники для атомно-эмиссионного анализа. Большой вклад советские ученые внесли в изучение комплексообразования и его аналит. использования (И.П. Алимарин, А.К. БабкоХ в теорию действия орг. аналит. реагентов, в развитие методов фотометрич. анализа, атомно-абсорбц. спектроскопии, в А.х. отдельных элементов, особенно редких и платиновых, и ряда объектов - в-в высокой чистоты, минер. сырья, металлов и сплавов.

Требования практики всегда стимулировали развитие А. х. Так, в 40-70-х гг. 20 в. в связи с необходимостью анализа ядерных, полупроводниковых и др. материалов высокой чистоты были созданы такие чувствительные методы, как радиоактивационный анализ, искровая масс-спектроме-трия, химико-спектральный анализ, _вольтамперометрия, обеспечивающие определение до 10^-7- 10^-8% примесей в чистых в-вах, т.е. 1 часть примеси на 10-1000 млрд. частей осн. в-ва. Для развития черной металлургии, особенно в связи с переходом к скоростному конвертерному произ-ву стали, решающее значение приобрела экспрессность анализа. Использование т. наз. квантометров-фотоэлектрич. приборов для многоэлементного оптич. спектрального или рентгеновского анализа позволяет проводить анализ в ходе плавки за неск. минут.

Необходимость анализа сложных смесей орг. соединений обусловила интенсивное развитие газовой хроматографии, к-рая позволяет анализировать сложнейшие смеси, содержащие неск. десятков и даже сотен веществ. А. х. в значит. мере способствовала овладению энергией атомного ядра, изучению космоса и океана, развитию электроники, прогрессу биол. наук.

Предмет исследования. Важную роль играет развитие теории отбора проб анализируемых материалов; обычно вопросы пробоотбора решаются совместно со специалистами по изучаемым в-вам (напр., с геологами, металловедами). А.х. разрабатывает способы разложения проб - растворение, сплавление, спекание и т.д., к-рые должны обеспечивать полное "вскрытие" образца и не допускать потерь определяемых компонентов и загрязнений извне. В задачи А. х. входит развитие техники таких общих операций анализа, как измерение объемов, фильтрование, прокаливание.

Одна из задач А.х.-определение направлений развития аналит. приборостроения, создание новых схем и конструкций приборов (что чаще всего служит завершающей стадией разработки метода анализа), а также синтез новых аналит. реактивов.

Для количеств. анализа очень важны метрологич. характеристики методов и приборов. В связи с этим А. х. изучает проблемы градуировки, изготовления и использования образцов сравнения (в т.ч. стандартных образцов) и др. ср-в обеспечения правильности анализа. Существ. место занимает обработка результатов анализа, в т. ч. с использованием ЭВМ. Для оптимизации условий анализа используют теорию информации, мат. теорию полезности, теорию распознавания образов и др. разделы математики. ЭВМ применяются не только для обработки результатов, но и для управления приборами, учета помех, градуировки, планирования эксперимента; существуют аналит. задачи, решаемые только с помощью ЭВМ, напр. идентификации молекул орг. соединений с использованием теории искусств. интеллекта (см. Автоматизированный анализ ).

А. х. определяет общий подход к выбору путей и методов анализа. Разрабатываются способы сопоставления методов, условия их взаимозаменяемости и сочетания, принципы и пути автоматизации анализа. Для практич. использования анализа необходима разработка представлений о его результате как показателе кач-ва продукции, учение об экспрессном контроле технол. процессов, создание экономичных методов. Большое значение для аналитиков, работающих в разл. отраслях народного хозяйства, имеет унификация и стандартизация методов. Разрабатывается теория оптимизации кол-ва информации, необходимой для решения аналит. задачи.

Методы анализа. В зависимости от массы или объема анализируемого образца методы разделения и определения иногда подразделяют на макро-, микро- и ультрамикрометоды.

К разделению смесей обычно прибегают в тех случаях, когда методы прямого определения или обнаружения не позволяют получить правильный результат из-за мешающего влияния др. компонентов образца. Особенно важно т. наз. относит. концентрирование - отделение малых кол-в определяемых компонентов от значительно больших кол-в основных компонентов пробы. Разделение смесей может базироваться на различии в термодинамич., или равновесных, характеристиках компонентов (константы обмена ионов, константы устойчивости комплексов) или кинетич. параметров. Для разделения применяют гл. обр. хроматографию, экстракцию, осаждение, дистилляцию, а также электрохим. методы, напр. электроосаждение.

Методы определения-осн. группа методов А. х. В основе методов количеств. анализа лежит зависимость к.-л. измеримого св-ва, чаще всего физического, от состава образца. Эта зависимость должна описываться определенным и известным образом.

Быстро развиваются гибридные методы анализа , объединяющие разделение и определение. Напр., газовая хроматография с разл. детекторами - важнейший метод анализа сложных смесей орг. соединений. Для анализа труднолетучих и термически нестойких соед. более удобна высокоэффективная жидкостная хроматография.

Для анализа необходимы разнообразные методы, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и ограничения. Так, чрезвычайно чувствит. радиоактивационные и масс-спектральные методы требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры. Простые, доступные и очень чувствит. кинетич. методы не всегда обеспечивают нужную воспроизводимость результатов. При оценке и сопоставлении методов, при выборе их для решения конкретных задач принимаются во внимание мн. факторы: метрологич. параметры, сфера возможного использования, наличие аппаратуры, квалификация аналитика, традиции и др. Важнейшие среди этих факторов - такие метрологич. параметры, как предел обнаружения или диапазон концентраций (кол-в), в к-ром метод дает надежные результаты, и точность метода, т.е. правильность и воспроизводимость результатов. В ряде случаев большое значение имеют "многокомпонентные" методы, позволяющие определять сразу большое число компонентов, напр. атомно-эмиссионный и рентгеновский спектральный анализ, хроматография. Роль таких методов возрастает. При прочих равных условиях предпочитают методы прямого анализа, т.е. не связанного с хим. подготовкой пробы, однако иногда такая подготовка необходима. Напр., предварит. концентрирование исследуемого компонента позволяет определять меньшие его концентрации, устранять трудности, связанные с негомог. распределением компонента в пробе и отсутствием образцов сравнения.

Особое место занимают методы локального анализа. Существ. роль среди них играют рентгеноспектральный микроанализ (электронный зонд), масс-спектрометрия вторичных ионов, спектроскопия оже-электронов и др. физ. методы. Они имеют большое значение, в частности, при анализе поверхностных слоев твердых материалов или включений в горных породах.

Специфич. группу составляют методы элементного анализа орг. соединений. Обычно орг. в-во тем или иным способом разлагают, а его компоненты в виде простейших неорг. соед. (СО₂, Н₂О, NH₃ и др.) определяют обычными методами. Применение газовой хроматографии позволило автоматизировать элементный анализ; для этого выпускаются С-, Н-, N-анализаторы и др. приборы-автоматы. Анализ орг. соединений по функц. группам (функциональный анализ) выполняется разл. хим., электрохим., спектральными (ЯМР-, ИК-спектроскопия) или хроматографич. методами.

При фазовом анализе, т.е. определении хим. соед., образующих отдельные фазы, последние предварительно выделяют, напр., с помощью избирательного р-рителя, а затем полученные р-ры анализируют обычными методами; весьма перспективны физ. методы фазового анализа без предварит. разделения фаз.

Практическое значение. Хим. анализ обеспечивает контроль мн. технол. процессов и кач-ва продукции во мн. отраслях пром-сти, играет огромную роль при поиске и разведке полезных ископаемых в горнодобывающей пром-сти (см. Геохимические методы поисков полезных ископаемых ). С помощью хим. анализа контролируется чистота окружающей среды (воды и воздуха). Достижения А. х. используют в разл. отраслях науки и техники: атомной энергетике, электронике, океанологии, биологии, медицине, криминалистике, археологии, космич. исследованиях.

Велико народнохозяйств. значение хим. анализа. Так, точное определение легирующих добавок в металлургии позволяет экономить ценные металлы. Переход на непрерывный автоматич. анализ в мед. и агрохим. лабораториях дает возможность резко увеличить скорость анализов (крови, мочи, вытяжек из почв и т.д.) и уменьшить численность сотрудников лабораторий.

Лит.: Золотев Ю. А., Очерки аналитической химии, М., 1977; Пиккеринг У. Ф., Современная аналитическая химия, пер. с англ, М., 1977; Бончев П., Введение в аналитическую химию, пер. с болт. Л., 1978; Фритц Дж. С., Шенк Г. X., Количественный анализ, пер. с англ, М, 1978; Петере Д., Хайес Дж., Хифтье Г., Химическое разделение и измерение, пер. с англ., кн. 1-2, М., 1978; Скуг Д., Уэст Д., Основы аналитической химии, пер. с англ., т. 1-2, М., 1979. Ю. А. Золотое .